Vorschau Mobilität der Zukunft – Antriebstechnik: Verbrennungsmotor, Elektroantrieb, Brennstoffzelle

Mobilität der Zukunft

ANTRIEBSTECHNIK

Verbrennungsmotor, Elektroantrieb, Brennstoffzelle Sekundarstufe I – mit Differenzierungsangeboten

Bildquellennachweis

16–18, 20, 38, 43 Mitte Nr. 4, 44 Mitte Nr. 3, 49, 52–54, 58 oben, 76 Mitte, 79f., 86–88, 94, 97–101 MercedesBenz Group AG; 15, 43 Mitte Nr.1, Nr. 2, Nr. 3, Nr. 5, 44 Mitte, Nr.1, Nr. 2, Nr. 4, Nr. 5, 55, 58 unten thinkstockphotos; 26, 28, 76 unten, 81f. Dr. Stefan Kruse; 61, 69 Markus Röscheisen, Dieter Schaich; 62, 65 Harald Hölz; 19 Wikipedia; 33 Dr. Tillmann Berger; 51 Picture Alliance

Alle Drucke dieser Auflage sind unverändert. Die letzte Zahl bezeichnet das Jahr des Druckes. Das Werk und seine Teile sind urheberrechtlich geschützt. Jede Nutzung in anderen als den gesetzlich zugelassenen Fällen bedarf der vorherigen schriftlichen Einwilligung des Verlages. Hinweis § 52 a UrhG: Weder das Werk noch seine Teile dürfen ohne eine solche Einwilligung eingescannt und in ein Netzwerk eingestellt werden. Dies gilt auch für Intranets von Schulen und sonstigen Bildungseinrichtungen. Fotomechanische oder andere Wiedergabeverfahren nur mit Genehmigung des Verlages.

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Eine Zusammenarbeit der Genius-Initiative der Mercedes-Benz Group AG und der Klett MINT GmbH

© Mercedes-Benz Group AG, Stuttgart und Klett MINT GmbH, Stuttgart

Autoren: Dr. Tillmann Berger, Sindelfingen; Helmut Graf, Wörth; Harald Hölz, Schorndorf; Dr. Stefan Kruse, Weingarten, Hanne Lier, Stuttgart; Josef Maier, Stuttgart; Markus Röscheisen, Esslingen; Volker Rust, Karlsruhe; Dieter Schaich, Kirchheim unter Teck

Redaktion: Hanne Lier, Medienwerk Lier, Stuttgart

Projektkoordination und Herstellung: Petra Wöhner, Lisa Röthinger

Umschlag und CI: Schwarz Gruppe Grafikdesign, Stuttgart

Gestaltung Inhalt: Gabriele Kiesewetter, Jung Medienpartner, Limburg

Illustrationen: Alexander Schmitt, as-illustration, Rimpar

Bildbearbeitung: Till Traub, Bilderwerkstatt, Leonberg

Reproduktion und Druck: Medienhaus Plump, Rheinbreitbach

Stefan Kruse

Tillmann Berger

Helmut Graf

Harald Hölz

Hanne Lier

Josef Maier

Markus Röscheisen

Volker Rust

Dieter Schaich

ANTRIEBSTECHNIK

Verbrennungsmotor, Elektroantrieb, Brennstoffzelle Lehrermaterial und Kopiervorlagen

Sekundarstufe I – mit Differenzierungsangeboten

Mercedes-Benz Group AG | Klett MINT GmbH

Stuttgart

Vorwort

Liebe Lehrerinnen und Lehrer, wie sieht die Mobilität der Zukunft aus? Genius, die junge WissensCommunity von Mercedes-Benz, gibt Ihnen und Ihren Schülerinnen und Schülern Einblicke in Zukunftstechnologien und die Mobilität von morgen. Gemeinsam können Sie naturwissenschaftliche und technische Themen, Mobilitätskonzepte und Berufsbilder in der Automobilindustrie entdecken.

Unter dem Motto „Mehr Neugier - mehr Zukunft“ möchte Genius Kinder und Jugendliche für technische Themen begeistern. Denn die Begeisterung für Naturwissenschaft und Technik ist nicht nur der Schlüssel zur erfolgreichen Gestaltung unserer Umwelt und Wirtschaft, sie eröffnet der nächsten Generation auch hervorragende berufliche Perspektiven.

Sie als Lehrkraft erhalten durch Genius direkten Zugang zu aktuellen Fragestellungen der Fahrzeugtechnik, didaktisch aufbereiteten Unterrichtsmaterialien sowie passenden Fortbildungen.

Mit diesem Band liegen Ihnen Unterrichtsmaterialien zum Thema Antriebstechnik für alle Schulformen vor. Der modulare Aufbau und die Differenzierungsangebote ermöglichen es, Inhalte und Aufgaben auf unterschiedlichste Schülergruppen abzustimmen. Ein hoher Praxisanteil verspricht einen methodisch abwechslungsreichen und spannenden Unterricht.

Neben Verbrennungsmotoren und Kraftstoffen liegt der Schwerpunkt auf der „Mobilität der Zunkunft“. Auf dem Weg zu umweltfreundlichem Fahren werden neue Antriebs- und Energiekonzepte untersucht, die Verbrauch und Emissionen heutiger Fahrzeuge deutlich reduzieren bzw. langfristig vermeiden und so nachhaltige Mobilität sicherstellen sollen.

Dieser Band wurde im fachlichen Austausch von Ingenieurinnen und Ingenieuren mit Lehrkräften in Zusammenarbeit mit Klett MINT alters- und lehrplangerecht erarbeitet.

Klett MINT ist Teil des größten deutschen Bildungsunternehmens und hat sich die Förderung der MINT-Bildung, also der Disziplinen Mathematik, Informatik, Naturwissenschaften und Technik in Schule, Studium und Beruf, auf die Fahnen geschrieben. Die Genius-Unterrichtsmaterialien sind ein weiteres Ergebnis der nachhaltigen Zusammenarbeit zwischen Mercedes-Benz und Klett. Wir hoffen, dass sie Ihnen viele neue Ideen und Impulse bieten und wünschen Ihnen damit viel Freude im Unterricht.

Team Genius | Team Klett MINT

Inhaltsverzeichnis

Modul C: Energie und Kraftstoffe

Modul D: Elektromagnetismus und elektrische Motoren

Hinweise zur Differenzierung

A Die Geschichte der Mobilität

2

3

1

2

3

4 Viertaktmotoren

B Die Funktion von Verbrennungsmotoren

C

D

E

F Mobilität der Zukunft

Aufgabenart

Theoretische und fachwissenschaftliche Inhalte

Fachpraktische Inhalte und Versuche

5

6

7

8

1

2 Klassische Kraftstoffe

3

7

3

1 Warum brauchen Autos elektrischen Strom?

2 Versuche mit Energiewandlung

3 Elektrische Energiespeicher

4 Solarzellen

5 Brennstoffzellen

6 Versuche zu Solarzellen

7 Brennstoffzellen als Energiewandler

8 Zum Trainieren und Merken

1 Alternativen – warum und welche?

2 Warum haben noch nicht alle Autos einen Elektroantrieb?

3 Brennstoffzellenautos

4 Mobilitätsszenarien und Gesamtenergiebilanz

5 Intelligentes Energiemanagement mit Smart Grids

6 Zum Trainieren und Merken

Weiterführende Rechercheaufgaben

Aufgaben zur Wiederholung und Festigung

Verkehr vor der Erfindung des Automobils

Schiff, Eisenbahn, Fahrrad, Pferdefuhrwerk und Kutsche sind die Fahrzeuge in der Zeit vor dem Automobil. Das Automobil verändert das Verhältnis der Menschen zu Raum und Zeit nachhaltig. Auf dem Wasser stellt der Raddampfer eine Verkehrsrevolution dar, weil er aus eigener Kraft die Flüsse in beide Richtungen befahren kann. Auf dem Festland ermöglicht die Eisenbahn erstmals für alle Klassen der Bevölkerung Reisen über große Distanzen. Sie verbindet Dörfer mit Metropolen und Regionen untereinander. Das Fahrrad trägt dazu bei, dass in den 1870er Jahren der Individualverkehr zunimmt. Mit dem Fahrrad kann auch der einfache Mann seinen Lebensraum dauerhaft ausweiten. Pferd und Wagen schließlich haben einen doppelten Nutzen: Als Pferdefuhrwerk und Postkutsche helfen sie beim Warentransport und bei der Personenbeförderung. Als prunkvolle Kutsche und repräsentatives Reittier sind sie Statussymbole der Oberschicht, bevor das Automobil sie ablöst. Der Postverkehr hatte immer eine besondere Bedeutung. Vor mehr als 500 Jahren übertrug der deutsche Kaiser Maximilian I. dem Fürsten Johannes von Taxis die Aufgabe, den Postverkehr zu übernehmen. Der richtete ein Netz von Postkutschen ein, die sowohl Briefe und Pakete als auch Personen über weite Strecken beförderten. Seine Kutschen lackierte er in den Farben des kaiserlichen Wappens: Gelb und Schwarz. Gelb und schwarz lackierte Mercedes-Benz-Omnibusse gehörten zur österreichischen Kraftpost, die wie einst der Fürst von Taxis Briefe, Pakete und Personen beförderte. So fuhren vor gut 60 Jahren viele Wiener in schwarz-gelben Postomnibussen ins Burgenland und wieder zurück. Später hat man sie zu fahrenden Postämtern umgebaut. Bis Ende der 1970er Jahre konnten Kunden darin telefonieren, Briefe und Pakete aufgeben und sogar Telegramme verschicken.

Die Erfindung des Automobils

Im Industriezeitalter, das um 1830 beginnt, werden Maschinen erfunden, die mühelos weite Strecken überwinden: Eisenbahnen durchqueren Berge und Täler, Dampfschiffe fahren flussaufwärts. Aber noch fehlt das entscheidende Glied in der Kette der Mobilität. Karl Benz und Gottlieb Daimler forschen aufgrund der Ergebnisse von Jean Joseph Étienne Lenoir und Nikolaus Otto unabhängig voneinander an einem kleinen, schnelllaufenden Explosionsmotor, der ein Fahrzeug antreiben könnte. Nach vielen Rückschlägen ist es 1886 so

weit: Am 29. Januar meldet Benz seinen in Mannheim konstruierten Motorwagen zum Patent an. Und nur 100 Kilometer entfernt, in Cannstatt, vollendet Daimler seine Motorkutsche. Anders als Karl Benz, der vor allem Automobile bauen will, träumt Gottlieb Daimler von der Motorisierung „zu Wasser, zu Lande und in der Luft“. Daimlers Hauptziel ist zunächst die Herstellung von geeigneten Motoren. Gemeinsam mit seinem Mitarbeiter Wilhelm Maybach entwickelt er in jahrelanger Arbeit einen Motor, der so leicht und so stark ist, dass er ein Fahrzeug antreiben kann. Dieser Motor geht als die sogenannte „Standuhr“ in die Geschichte ein. Daimler und Maybach bauen ihn 1885 zuerst in ein Laufrad ein, den „Reitwagen“, und konstruieren damit das erste Motorrad der Welt. 1886 motorisieren sie ein Boot, das ihnen für Versuchsfahrten auf dem Neckar dient. Im gleichen Jahr bauen sie eine stärkere Version der „Standuhr“ in eine Kutsche ein. Das Ergebnis ist die sogenannte Motorkutsche: das weltweit erste Automobil mit vier Rädern und einem Benzinmotor. Daimler und Benz schaffen, was sich die Menschheit seit Erfindung des Rades erträumt: einen Wagen, der sich von selbst fortbewegt – das Automobil. Fast parallel entwickelt Rudolf Diesel einen selbstzündenden Motor, der eine höhere Leistung erzielt und störungsunanfälliger arbeitet.

Ottos Viertaktmotoren bauten auf dem Viertaktprinzip auf, welches bis heute die Grundlage für Verbrennungsmotoren in Automobilen ist. 1864 gründete er mit Eugen Langen die erste Motorenfabrik der Welt und 1872 die „Gasmotoren-Fabrik Deutz AG“. Sein Viertaktgasmotor mit verdichteter Ladung wurde dort von Wilhelm Maybach weiterentwickelt und seit 1876 in Serie produziert.

Daimlers Einzylindermotor ist der weltweit erste kleine, schnelllaufende Verbrennungsmotor, der mit Benzin betrieben wird. Er ist leicht und trotzdem stark genug, um ein Fahrzeug antreiben zu können. Seinen Beinamen erhält der Motor, weil er einer Standuhr ähnelt. 1885 wurde er zum Patent angemeldet.

Der Patent-Motorwagen von Benz ist das erste BenzinAutomobil der Welt. Anders als Daimlers Motorkutsche ist der Motorwagen eine eigenständige Einheit aus Fahrgestell und Motor. Karl Benz konzipiert ihn als Dreirad, weil ihn die 1886 üblichen Lenkungssysteme für vierrädrige Fahrzeuge nicht zufriedenstellen.

Die Motorkutsche von Gottlieb Daimler ist das erste vierrädrige Automobil der Welt. Wie der Name verrät, handelt es

© Als Kopiervorlage freigegeben. Genius – Die junge WissensCommunity von Mercedes-Benz, Stuttgart 2013

sich dabei um eine herkömmliche Kutsche, der Daimler und Maybach ihren Motor eingebaut haben.

Die „ideale Wärmekraftmaschine“ von Rudolf Diesel löst die großen Zündprobleme von herkömmlichem Benzin, indem verdichtetes Treibstoff-Luft-Gemisch unter Druck in den Brennraum eingebracht wird. Die dabei entstehenden hohen Drücke verhelfen dem Motor 1893 zu einer guten Leistungsausbeute.

Die Geschichte des Elektroantriebs

Bereits die ersten Unternehmen, die eine Alternative zum Verbrennungsantrieb als Kraftquelle für das Automobil entwickeln wollten, setzten auf Elektromotoren. Die Motorfahrzeug- und Motorenfabrik Berlin-Marienfelde stellte 1898 ihr erstes Elektrofahrzeug vor. Partner des Projekts war die US-amerikanische Columbia Electric Company in Connecticut, die bis 1918 Elektroautos baute. 1899 bot die Motorfahrzeug- und Motorenfabrik Berlin-Marienfelde auf der Basis des amerikanischen Patents vier verschiedene Personenwagen an. Mit der schnellen Weiterentwicklung des Verbrennungsmotors konnte das Elektromobil jedoch nicht mithalten. So wurde die Produktion in Berlin-Marienfelde bereits 1902 wieder eingestellt. Der erste Mercedes mit elektrischem Antrieb entstand 1907 in Wien. Insbesondere für Feuerwehren und Busse wurden die Fahrzeuge vom Typ Mercedes-Electrique eingesetzt. Für solche Elektroautos entschied sich 1908 auch die Berliner Feuerwehr, als sie einen neuen Löschzug mit vier Mercedes-Electriques in Dienst stellt. Das erste Konzept für einen modernen Elektrotransporter entstand bei Mercedes-Benz 1972. 1988 brachte die Firma erste Transporter mit Elektroantrieb auf den Markt. 1993 entstand ein Prototyp auf Basis der C-Klasse mit einer Reichweite von 120 Kilometern. In den folgenden Jahren entstanden Versuchsfahrzeuge auf Basis des Transporters Vito 108 E und der A-Klasse. Bei der Beurteilung von Batteriefahrzeugen ist zu berücksichtigen, dass die „Emissionsfreiheit“ bezüglich CO2 nur gilt, wenn die Stromerzeugung rein regenerativ stattfindet. Im aktuellen deutschen Strommix (2010) fallen CO2-Emissionen von ca. 494 g/kWh an. Die äquivalenten CO2-Emissionen pro Kilometer bewegen sich damit bei Berücksichtigung von Ladeverlusten der Batterie auf einem ähnlichen Niveau wie bei einem optimierten Dieselmotor.

lem Automobile bauen will, setzt Gottlieb Daimler seine Vision von der Motorisierung zu Wasser, zu Lande und in der Luft in die Tat um: Er motorisiert zum ersten Mal ein Boot und ein Luftschiff und er baut den ersten Motorlastwagen. Karl Benz hingegen konstruiert den ersten Motoromnibus, den ersten Lieferwagen sowie das erste Automobil, das in Großserie hergestellt wird. In wenigen Jahren erschaffen Daimler und Benz die Urtypen des motorisierten Verkehrs, deren Nachkommen bis heute weltweit den Alltag der Menschen begleiten. 1895 baut Benz & Cie. die ersten beiden Omnibusse der Welt. Mit ihnen beginnt der motorisierte öffentliche Personenverkehr. Sie verkehren auf der Strecke Siegen-Netphen-Deuz. Weil Regen oftmals die Straßen aufweicht, sind die Busse nur wenige Wochen im Jahr im Einsatz.

Der Kotflügel

Als die Straßen noch keine Asphaltdecke hatten, war Autofahren eine schmutzige Angelegenheit. Nicht nur der Matsch spritzte bei nasser Fahrbahn, auch Pferdeäpfel wurden von den Rädern aufgewirbelt. Um den Fahrer vor Schlamm und Pferdekot zu schützen, verwendeten die Automobilbauer Schutzschilde aus Holz, die sie über den Rädern montierten. Mit diesem Bauteil hatten die Karosseriebauer früher bereits ihre Kutschen ausgerüstet. Seiner Funktion verdankt es seinen Namen: „Kotflügel“.

Die Zündkerze

Alle frühen Motoren hatten ein gemeinsames Problem: Die Entzündung des Treibstoff-Luft-Gemisches. Dazu wurde ein elektrischer Funke in einem Magnetzünder erzeugt. Unregelmäßige und zu schwache Funken führten zu Aussetzern der Motoren und begrenzten die theoretische Drehzahl. Erst mit der Entwicklung der Hochspannungszündkerze durch die Werkstatt für Feinmechanik und Elektrotechnik von Robert Bosch in Stuttgart wurde dieses Problem gelöst.

Die Autokarte

Mit dem Siegeszug des Automobils wurde Hilfe bei der Orientierung in unbekannter Umgebung notwendig, denn das Automobil führte seinen Fahrer weiter aus der vertrauten Lebenswelt hinaus, als es Kutsche oder Fahrrad je vermochten. Anders als bei der Eisenbahn bestimmte der Autoreisende seine Route selbst. Er musste seinen Orientierungssinn schulen und sich auf das Lesen von Straßenkarten verstehen.

Die Erfindung des Automobils ist für Gottlieb Daimler und Karl Benz nur der Anfang. Anders als Karl Benz, der vor al-

Die Bedeutung der Erfindung des Automobils für die Entwicklung des Verkehrs

© Als Kopiervorlage freigegeben. Genius – Die junge WissensCommunity von Mercedes-Benz, Stuttgart 2013